在当今充斥着数字电子设备的世界中，电磁干扰 （EMI） 是军事和商业市场的主要关注点。电气设备由于它们的存在而容易受到这些不良辐射和故障的影响。

降低 EMI 的最简单、最具成本效益的方法是尽可能首先在板级进行攻击。鉴于当今电路的复杂性日益增加，印刷电路板 （PCB） 布局很少能完全解决 EMI 问题;因此，板级屏蔽已成为大多数 PCB 设计人员的要求。

EMI 基础知识和板级屏蔽设计

当电磁波沿电子设备的方向传播，然后扰乱该电气元件的运行时，就会发生辐射 EMI。

电磁波由电场（E）和磁场（H）组成，E与H的比值（E/H）称为波阻抗 （Z）。对于空气或自由空间，Zo = 377 Ω。阻抗低于此值的电磁波主要是磁性的，而阻抗高于该值的电磁波主要是电性的。

使用板级屏蔽进行 EMI 屏蔽意味着使用金属罐（也称为法拉第笼）将电子电路封装在 PCB 上。这反过来又会限制来自外部环境的 EMI 辐射量，这些辐射可能会破坏 PCB 元件，并减轻电路产生的 EMI 能量逃逸到外部环境中。

板级屏蔽的效率是根据屏蔽效果 （SE） 来衡量的，屏蔽效果是以分贝 （dB） 表示的 EMI 衰减量。

如图 1 所示，当电磁波与屏蔽材料接触时，一些能量被反射，一些被吸收到屏蔽材料中，还有一些能量穿过材料。因此，EMI 屏蔽的总屏蔽效果基于反射和吸收损耗的总和。

图 1  屏蔽表面的电磁波

吸收损耗取决于屏蔽层的物理特性，与屏蔽层的厚度、相对磁导率、材料的导电性和电磁波的频率成正比。

因此，具有高磁导率和导电性的厚壁屏蔽层在吸收损失方面将表现良好。当需要抑制发射时，例如当使用屏蔽层来防止电磁能从外壳中逸出时，吸收损耗至关重要;见图 2 。

图 2 EMI 保护与 EMI 抑制

另一方面，当 PCB 元件要受到外部来源的影响时，反射损耗很重要。反射损耗取决于电磁波阻抗与 EMI 屏蔽材料阻抗之间的相对不匹配。

如果电磁波的阻抗与 EMI 屏蔽层的阻抗不同，则电磁波将被部分反射回来。相反，如果屏蔽层和波的阻抗值紧密匹配，则能量将穿过屏蔽层。

需要注意的是，电为主的入射波（阻抗大于 377 Ω）具有高阻抗，而导电性较高的金属具有低阻抗。因此，高导电性金属对电为主波表现出高反射损耗。然而，对于具有低阻抗（小于 377 Ω）的磁主导入射波，屏蔽层和波之间的阻抗失配最小;因此，产生的反射损失非常低。因此，吸收损耗对于屏蔽磁场至关重要。

图3 随材料、频率和屏蔽厚度的吸收损失

图4 材料和频率的反射损失 （Gnecco， 2000）

图3 和图4 说明了使用不同材料的 EMI 屏蔽可以实现的理论吸收和反射损耗。

要使用图 3，必须从EMI 屏蔽的已知厚度到所用材料之间画一条线，然后必须从它与传输线相交的位置到入射电磁波的频率处画另一条线。

从图 3 中可以明显看出，对于给定的频率，具有高磁导率材料（例如高磁导率钢）的厚壁屏蔽层在吸收损耗方面将优于由铜或黄铜制成的薄壁高导电屏蔽层。另一方面，图 4 显示，对于给定的频率，高导电性材料（铜或黄铜）在反射损耗方面的性能将超过导电性较低的材料（高磁导率钢或不锈钢）。尽管图 3 和图 4 等概念工具有助于确定适合给定应用的屏蔽材料，但它们并未考虑屏蔽设计中的孔径。

EMI 屏蔽的性能受接缝和穿孔的影响很大，尤其是在处理较高频率的电主导波时。电磁波的频率越高，其波长越短，就越有可能通过 EMI 屏蔽中的任何开口逃逸。因此，在设计外壳时，最小化孔径以减少潜在的 EMI 泄漏点并最大限度地提高孔径附近的设计质量以实现整体性能和长期可靠性至关重要。

电磁能通过孔径传播而不被衰减的频率称为截止频率 （fc）。

· 高于 fc 的频率将自由传播。

· 低于 fc 的频率会衰减。

以下公式演示了如何计算截止频率：fc=c /λc，其中：

· c = 光速 （m/s）

· λc= 截止波长 （m）

· fc= 截止频率 （Hz）

λc为：

· 圆形孔径：λc=3.412r ;其中r = 孔径半径（m）;

· 矩形孔径：λc=2a ;其中a= 孔径的最长尺寸（m）。

除了知道截止频率之外，在任何应用中实现出色 EMI 屏蔽效果的良好经验法则是保持每个孔径尺寸不大于被衰减电磁波的 1/20 波长，并以孔径尺寸小至 1/50 波长为目标。

下面的表1是一个有用的资源，其中列出了频率采样、它们相应的波长以及基于1/20 和 1/50波长的推荐最大孔径大小。

表1 频率-波长表

正确设计EMI板级屏蔽至关重要，如果设计得当，甚至可以消除对整体外壳级屏蔽的需求。许多 EMI 屏蔽制造商都提供了全套工具、标准、低成本的现成选项。因此，在初始 PCB 设计期间规划和设计使用板级屏蔽以利用这些选项是一个好主意。

参考文献

1. Gnecco, Louis T. 2000. The Design of Shielded Enclosures: Cost Effective Methods to Prevent EMI. Woburn, MA: Butterworth-Heinemann.

2. Tong, Xingcun Colin. 2008. Advanced Materials and Design for Electromagnetic Interference Shielding. Boca Raton, FL: CRC Press.

3. Weibler, Joseph. 1993. Properties of Metals Used for RF Shielding, EMC Test & Design.